CN111456235A - 一种方钢管混凝土柱-钢梁外环套管板螺栓连接节点 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种方钢管混凝土柱‑钢梁外环套管板螺栓连接节点，包括方钢管，所述方钢管上套有上部外环套管板和下部外环套管板，上部外环套管板包括上部短套管，所述上部短套管的内表面与方钢管连接，上部短套管的外表面连接有上部外环板，所述下部外环套管板与上部外环套管板结构相同，下部外环套管板包括下部短套管和下部外环板，所述上部外环套管板和下部外环套管板之间连接有钢梁；本发明扩大了柱壁屈服线的分布，不仅提高节点域柱壁刚度，而且增加外环板在外荷载作用下对节点承载力的贡献；改善了因未设置内环板而使节点处刚度不足的缺点；采用本发明现场作业量少，提高钢结构施工效率，提高材料利用率，具有较好的经济效益和社会效益。
Description
技术领域
本发明涉及多层和高层建筑技术领域，特别涉及一种方钢管混凝土柱-钢梁外环套管板螺栓连接节点。
背景技术
随着我国建筑事业的不断发展，高层以及超高层建筑逐渐成为当下建筑领域主流发展趋势，钢管混凝土结构作为一种传统的组合结构由于其自身的承载力高，施工便捷等特点在超高层建筑中被广泛使用。节点作为结构的关键部位，不仅涉及到构件间连接方式，而且直接影响结构在外荷载作用下的整体刚度和承载力。
隔板类节点作为常见的方钢管混凝土柱-钢梁的连接节点，其主要形式有：内环板式和贯通环板式。其中内环板式适用于柱截面较大的方钢管，对于截面较小的方钢管柱受施焊空间的局限性而难于实现，同时内环板的存在影响混凝土浇筑。贯环板式节点要求方钢管柱在钢梁上下翼缘对应位置截断，将内置的环板焊于相应位置后，重新与方钢管焊接。这种节点施工复杂，焊缝较集中，且影响柱内混凝土浇筑，在我国应有较少。
发明内容
本发明针对上述存在的技术问题，提出了一种有利于建筑工业化的梁柱节点，适用条件不受方钢管柱截面大小限制、可以有效解决设置内环板困难，环板与柱壁接触面积小的问题。本发明连接节点钢梁翼缘与外环板采用螺栓连接，延性耗能能力更好，改变节点连接处传力路径，保证连接处强度，实现节点设计“强节点，弱构件”，又能够方便施工，提高材料利用率的一种方钢管混凝土柱—钢梁的节点连接形式。
为了实现上述目的，本发明的技术方案为：设计一种方钢管混凝土柱-钢梁外环套管板螺栓连接节点，包括方钢管，所述方钢管上套有上部外环套管板和下部外环套管板，上部外环套管板包括上部短套管，所述上部短套管的内表面与方钢管连接，上部短套管的外表面连接有上部外环板，所述下部外环套管板与上部外环套管板结构相同，下部外环套管板包括下部短套管和下部外环板，所述上部外环套管板和下部外环套管板之间连接有钢梁。
优选的，所述上部外环套管板、下部外环套管板与钢梁采用螺栓连接，上部外环套管板、下部外环套管板及钢梁对应连接位置设有圆形螺栓孔，左右两侧圆形螺栓孔关于方钢管对称设置。
优选的，所述钢梁包括上翼缘、下翼缘和腹板，所述上翼缘、下翼缘由螺栓穿过圆形螺栓孔分别与上部外环板与下部外环板连接。
优选的，所述钢梁为工字钢或H型钢。
优选的，所述上部短套管外型为上下通透的方形钢管，上部短套管的内表面与方钢管外表面贴合焊接固定；上部短套管的外表面与上部外环板通过现场四面围焊连接或者预制装配组成，上部外环板外壁与上翼缘焊接固定。
优选的，所述下部短套管外型为上下通透的方形钢管，下部短套管的内表面与方钢管外表面贴合焊接固定；下部短套管的外表面与下部外环板通过现场四面围焊连接或者预制装配组成，下部外环板外壁与下翼缘焊接固定。
优选的，所述上部短套管、下部短套管的高度大于上部外环板、下部外环板，所述上部外环板下部外环板为内凹弧形环板或内凹折线形环板。
优选的，所述方钢管为焊接方钢管或热轧无缝钢管。
优选的，所述方钢管内设有混凝土柱，混凝土柱为普通混凝土或高强度混凝土浇筑而成。
优选的，所述上部短套管、下部短套管与方钢管焊接的焊缝为双面角焊缝或全熔透焊缝。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1.本发明采用外环套管板连接的方钢管柱-钢梁的连接节点中，使用上下部外环套管板可以增加外环板与钢管柱直接接触面积；从受力角度上来说，在一定程度上扩大了柱壁屈服线的分布，不仅提高节点域柱壁刚度，而且增加外环板在外荷载作用下对节点承载力的贡献；
2.本发明采用外环套管板连接的方钢管柱-钢梁的连接节点中，未设置内置环板，而是将上部外环套管板和下部外环套管板与方钢管柱壁采用四面围焊连接，一方面间接增加柱壁厚，改善了因未设置内环板而使节点处刚度不足的缺点；
3.本发明节点上钢梁上部翼缘和下部翼缘分别上部外环套管板和下部外环套管板采用螺栓连接，并通过三面围焊保证连接处强度。
4.本发明采用的外环套管板中所包括的外环板的形状为内凹弧形环板或内凹折线形环板。目的是为了避免因使用环板形状为矩形的环板产生的应力集中和撕裂破坏，特别是为了避免在受力作用下，环板外侧螺栓孔处发生应力集中现象。内凹弧形环板具有截面形状均匀无突变，应力分布合理的优点，内凹折线形环板具有构造简单，应力分布合理，施工便捷的优点；
5.本发明节点采用的外环套管板中，组成外环套管板的外环板长度相比普通外环板要大，目的是将塑性铰转移至梁端，实现塑性铰外移，从而满足“强柱弱梁”设置要求，具有较好的抗震性能；
6.本发明中，外环套管板以及外环套管板的螺孔及钢梁梁翼缘的螺孔在工厂内完成，施工现场将外环套管板焊接于柱相应位置后，吊装钢梁梁与外环套管板间用螺栓连接，即完成梁与柱的连接；现场作业量少，提高钢结构施工效率；
7.本发明中，外环套管板与方钢管之间采用焊接连接方法，焊接的焊缝为双面角焊缝或全熔透焊缝。相比其他焊缝方式，双面角焊缝适用于不同厚度构件的连接，连接的密闭性好，构造简单，施工方便，用料经济；全熔透焊缝适用于在同一平面内相互连接的两个构件，因而传力均匀平缓，没有明显的应力集中，且用料经济；
8.本发明构造简单，解决了设置内环板施工困难的问题；既不影响上部楼板施工；也不影响方钢管内混凝土的浇筑；有效提高材料利用率，具有较好的经济效益和社会效益。
附图说明
图1为本发明组合结构示意图；
图2为本发明正面结构示意图；
图3为本发明截面示意图；
图4为本发明侧面结构示意图；
图5为钢梁结构示意图；
图6为上部外环套管板结构示意图；
图7为下部外环套管板结构示意图；
其中：方钢管-1，钢梁-2，上部外环套管板-3，下部外环套管板-4，螺栓-5，圆形螺栓孔-6，上翼缘-21，下翼缘-22，腹板-23，上部短套管-31，上部外环板-32，下部短套管-41，下部外环板-42，
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行进一步详细说明，但本发明的保护范围不受具体的实施例所限制，以权利要求书为准。另外，以不违背本发明技术方案的前提下，对本发明所作的本领域普通技术人员容易实现的任何改动或改变都将落入本发明的权利要求范围之内。
如图1-4所示，一种方钢管混凝土柱-钢梁外环套管板螺栓连接节点，包括方钢管1，所述方钢管1上套有上部外环套管板3和下部外环套管板4，上部外环套管板3包括上部短套管31，所述上部短套管31的内表面与方钢管1连接，上部短套管31的外表面连接有上部外环板32，所述下部外环套管板4与上部外环套管板3结构相同，下部外环套管板4包括下部短套管41和下部外环板42，所述上部外环套管板3和下部外环套管板4之间连接有钢梁2。
优选的，所述上部外环套管板3、下部外环套管板4与钢梁2采用螺栓5连接，上部外环套管板3、下部外环套管板4及钢梁2对应连接位置设有圆形螺栓孔6，左右两侧圆形螺栓孔6关于方钢管对称设置。
优选的，所述钢梁2包括上翼缘21、下翼缘22和腹板23，所述上翼缘21、下翼缘22由螺栓5穿过圆形螺栓孔6分别与上部外环板32与下部外环板42连接。
优选的，所述钢梁2为工字钢或H型钢。
优选的，所述上部短套管31外型为上下通透的方形钢管，上部短套管31的内表面与方钢管1外表面贴合焊接固定；上部短套管31的外表面与上部外环板32通过现场四面围焊连接或者预制装配组成，上部外环板32外壁与上翼缘21焊接固定。
优选的，所述下部短套管41外型为上下通透的方形钢管，下部短套管41的内表面与方钢管1外表面贴合焊接固定；下部短套管41的外表面与下部外环板42通过现场四面围焊连接或者预制装配组成，下部外环板42外壁与下翼缘22焊接固定。
优选的，所述上部短套管31、下部短套管41的高度大于上部外环板32、下部外环板42，所述上部外环板32下部外环板42为内凹弧形环板或内凹折线形环板。
优选的，所述方钢管1为焊接方钢管或热轧无缝钢管。
优选的，所述方钢管1内设有混凝土柱，混凝土柱为普通混凝土或高强度混凝土浇筑而成。
优选的，所述上部短套管31、下部短套管41与方钢管1焊接的焊缝为双面角焊缝或全熔透焊缝。
实施例一
根据方钢管1的尺寸和钢梁2的尺寸确定上部短套管31和下部短套管41的外径边长和内径边长，环板长度。
根据方钢管1的尺寸和钢梁2、上部短套管31、下部短套管41的尺寸确定上部外环板32和下部外环板42的内径和环板最小宽度、环板厚度，由钢梁2的截面抗弯强度确定梁翼缘螺栓孔数量、螺栓孔间距及布置，进而确定环板长度。
上部短套管31与上部外环板32通过四面围焊的方式连接形成上部外环套管板3。
下部短套管41与下部外环板42通过四面围焊的方式连接形成下部外环套管板4。
上部外环套管板3水平套设在方钢管混凝土柱1上管柱的外侧，下部外环套管板4水平套设在方钢管混凝土柱1下管柱的外侧，钢梁2设置在上部外环套管板3和下部外环套管板4之间，钢梁2可为工字钢或H型钢。
上部外环套管3在钢梁上翼缘21上的圆形螺栓孔对应的位置开有圆形螺栓孔6，上部外环套管板3位于所述上翼缘21上方并与所述上翼缘21三面围焊固定连接同时通过螺栓5连接。
下部外环套管板4在钢梁下翼缘22上的圆形螺栓孔6对应的位置开有圆形螺栓孔6，下部外环套管板4位于所述下翼缘22下方并与所述下翼缘22三面围焊固定连接同时通过螺栓5连接。
钢梁上翼缘21与所述上部外环套管板3外壁焊接连接。
钢梁下翼缘22与所述下部外环套管板4外壁焊接连接。
实施例二
下面对本发明的节点抗剪承载力进行说明。(以下构件尺寸单位均为：mm)
为单独评价短套管对节点的抗剪承载力的影响，现以未设置短套管的方钢管混凝土柱—钢梁全螺栓外环板节点作为对照模型说明设置短套管的新型节点的力学性能，利用有限元分析软件ABAQUS对节点进行有限元分析。
未设置短套管节点的尺寸如下：节点柱为250×250方形截面，壁厚10，高度为3000的方钢管混凝土柱；梁采用长度为1500，截面尺寸为H250×125×6×9的H型钢；外环板长度870，外环板宽度250，外环板厚度与梁翼缘同厚，外环板中间开洞口尺寸同柱截面尺寸，外环板上螺栓孔间距均满足《钢结构设计规范》(GB50017-2017)中的相关要求；螺栓采用10.9级M24摩擦型高强度螺栓。
设置短套管节点的尺寸如下：节点柱为250×250方形截面，壁厚10，高度为3000的方钢管混凝土柱；梁采用长度为1500，截面尺寸为H250×125×6×9的H型钢；短套管采用270×270方形截面，壁厚10，高度为150的方钢管；外环板长度870，外环板宽度250，外环板厚度与梁翼缘同厚，外环板中间开洞口尺寸同短套管截面尺寸，外环板上螺栓孔间距均满足《钢结构设计规范》(GB50017-2017)中的相关要求；螺栓采用10.9级M24摩擦型高强度螺栓。
表1短套管对节点的抗剪承载力影响
由以上数值可知，设置短套管节点相比未设置短套管节点承载力提高14.5％，屈服位移提高了16.6％，初始刚度提高了5.2％。说明短套管的存在单独增加节点抗剪承载力和初始刚度，起到抵抗剪力的作用，不同构件尺寸承载力提高程度不同。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种方钢管混凝土柱-钢梁外环套管板螺栓连接节点，其特征在于，包括方钢管(1)，所述方钢管(1)上套有上部外环套管板(3)和下部外环套管板(4)，上部外环套管板(3)包括上部短套管(31)，所述上部短套管(31)的内表面与方钢管(1)连接，上部短套管(31)的外表面连接有上部外环板(32)，所述下部外环套管板(4)与上部外环套管板(3)结构相同，下部外环套管板(4)包括下部短套管(41)和下部外环板(42)，所述上部外环套管板(3)和下部外环套管板(4)之间连接有钢梁(2)。
2.根据权利1所述的一种方钢管混凝土柱-钢梁外环套管板螺栓连接节点，其特征在于，所述上部外环套管板(3)、下部外环套管板(4)与钢梁(2)采用螺栓(5)连接，上部外环套管板(3)、下部外环套管板(4)及钢梁(2)对应连接位置设有圆形螺栓孔(6)，左右两侧圆形螺栓孔(6)关于方钢管对称设置。
3.根据权利2所述的一种方钢管混凝土柱-钢梁外环套管板螺栓连接节点，其特征在于，所述钢梁(2)包括上翼缘(21)、下翼缘(22)和腹板(23)，所述上翼缘(21)、下翼缘(22)由螺栓(5)穿过圆形螺栓孔(6)分别与上部外环板(32)与下部外环板(42)连接。
4.根据权利3所述的一种方钢管混凝土柱-钢梁外环套管板螺栓连接节点，其特征在于，所述钢梁(2)为工字钢或H型钢。
5.根据权利1所述的一种方钢管混凝土柱-钢梁外环套管板螺栓连接节点，其特征在于，所述上部短套管(31)外型为上下通透的方形钢管，上部短套管(31)的内表面与方钢管(1)外表面贴合焊接固定；上部短套管(31)的外表面与上部外环板(32)通过现场四面围焊连接或者预制装配组成，上部外环板(32)外壁与上翼缘(21)焊接固定。
6.根据权利1所述的一种方钢管混凝土柱-钢梁外环套管板螺栓连接节点，其特征在于，所述下部短套管(41)外型为上下通透的方形钢管，下部短套管(41)的内表面与方钢管(1)外表面贴合焊接固定；下部短套管(41)的外表面与下部外环板(42)通过现场四面围焊连接或者预制装配组成，下部外环板(42)外壁与下翼缘(22)焊接固定。
7.根据权利5、6所述的一种方钢管混凝土柱-钢梁外环套管板螺栓连接节点，其特征在于，所述上部短套管(31)、下部短套管(41)的高度大于上部外环板(32)、下部外环板(42)，所述上部外环板(32)下部外环板(42)为内凹弧形环板或内凹折线形环板。
8.根据权利1所述的一种方钢管混凝土柱-钢梁外环套管板螺栓连接节点，其特征在于，所述方钢管(1)为焊接方钢管或热轧无缝钢管。
9.根据权利8所述的一种方钢管混凝土柱-钢梁外环套管板螺栓连接节点，其特征在于，所述方钢管(1)内设有混凝土柱，混凝土柱为普通混凝土或高强度混凝土浇筑而成。
10.根据权利1所述的一种方钢管混凝土柱-钢梁外环套管板螺栓连接节点，其特征在于，所述上部短套管(31)、下部短套管(41)与方钢管(1)焊接的焊缝为双面角焊缝或全熔透焊缝。
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